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第四章常见的非金属及其化合物第1讲无机非金属材料的主角——硅基础盘点一、碳、硅1.C、Si单质的存在形态、物理性质及用途(1)碳在自然界既有态又有态。碳的同素异形体有、、无定形碳、等。游离化合金刚石石墨C60(2)硅在地壳中的含量占第位，仅次于，全部以态存在，是一种亲元素，单质硅有和形两种。晶体硅是良好的材料，在计算机等电子工业，可用作、大规模等。硅是人类将能转化为能的常用材料，所以硅还用于制造。二氧化合氧晶体无定半导体半导体芯片集成电路太阳电光电池Fe2O3：________________________高温碳、硅在参与化学反应时，一般表现还原性点燃C＋O2CO2Fe2O3＋3C2Fe＋3CO↑高温2C＋O22CO点燃SiO2＋2CSi＋2CO↑CO2＋C2CO高温(1)C与O2反应O2(足量)：O2(不足)：与氧化物反应SiO2：CO2：2．C、Si的化学性质与强氧化性酸反应浓H2SO4：C＋2H2SO4(浓)CO2↑＋2SO2↑＋2H2O△浓HNO3：C＋4HNO3(浓)CO2↑＋4NO2↑＋2H2O△(1)C(2)Si与非金属单质O2：Si＋O2SiO2△F2：Si＋2F2===SiF4Cl2：Si＋2Cl2SiCl4△与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑1.硅酸硅酸溶于水，其酸性比碳酸，硅酸(填“能”或“不能”)使紫色石蕊试液变红色。(1)硅酸不稳定，受热易分解：(2)硅酸能与碱溶液反应，如与NaOH溶液反应的化学方程式为：。不弱不能H2SiO3===SiO2＋H2O∆H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O二、硅酸、硅酸盐(3)硅酸在水中易聚合形成胶体。硅胶吸附水分能力强，常用作。2.硅酸盐(1)硅酸盐由元素组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。(2)硅酸钠硅酸钠水溶液俗称，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。(3)硅酸盐常用的表示法——氧化物法干燥剂硅、氧和金属水玻璃例如：高岭土：Al2O3·2SiO2·2H2O石棉：CaO·3MgO·4SiO2沸石：Na2O·Al2O3·3SiO2·2H2O云母：K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O滑石：3MgO·4SiO2·H2O长石：K2O·Al2O3·6SiO2氧化物的顺序：活泼金属氧化物―→较活泼金属氧化物―→二氧化硅―→水。氧化物前计量数配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置计量数。注意事项：①氧化物之间以“·”隔开；②计量数配置出现分数应化为整数。例如：长石KAlSi3O8不能写成12K2O·12Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。三、无机非金属材料1.硅酸盐材料水泥玻璃陶瓷生产原料主要设备陶瓷窑石灰石、黏土纯碱、石灰石、石英黏土水泥回转窑玻璃窑2.特殊功能的含硅物质(1)具有金刚石结构，可用作磨料。(2)含硅元素4%的硅钢具有性。(3)硅橡胶具有的性质。3.无机非金属材料的使用无机非金属材料在日常生活中有广泛的用途，这些知识大多数属于识记知识。除了解前面所讲的传统无机非金属材料外，还应了解新型无机非金属材料的种类和用途：碳化硅导磁既耐高温又耐低温材料类别主要特性示例用途高温结构陶瓷能承受高温，强度高氮化硅陶瓷汽轮机叶片、轴承、永久性模具等半导体陶瓷具有电学特性氧化锡陶瓷集成电路中的半导体光学材料具有光学特性光导纤维光缆通讯、医疗、照明等生物陶瓷具有生物功能氧化铝陶瓷人造骨骼、人造关节、接骨螺钉考点精讲考点一碳、硅及其化合物的特性1.碳、硅元素单质及其化合物的特性(1)一般情况，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但硅、金刚石熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为硬度最大的物质。(2)一般情况，非金属元素单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。(3)一般情况，较强氧化剂＋较强还原剂===较弱氧化剂＋较弱还原剂，而碳却还原出比它更强的还原剂：SiO2＋2C=====高温Si＋2CO↑，FeO＋C=====高温Fe＋CO↑。(4)非金属单质与碱反应一般是非金属既作氧化剂又作还原剂，而Si与碱溶液反应却只作还原剂：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。(5)一般情况，较活泼金属＋酸―→盐＋氢气，然而Si是非金属，却能与氢氟酸发生反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。(6)一般情况，碱性氧化物＋酸―→盐＋水，SiO2是酸性氧化物却能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(SiF4不属于盐)。(7)无机酸一般能溶于水，而H2SiO3及H4SiO4却难溶于水。(8)H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以有Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但高温下：Na2CO3＋SiO2=====高温Na2SiO3＋CO2↑也能发生(CO2离开反应体系)。(9)一般情况，非常活泼的金属(Na、K等)才能够置换出水中的氢，但C＋H2O(g)=====高温CO＋H2。(10)一般情况，酸性氧化物与水反应生成相应的酸，如CO2＋H22CO3，但SiO2不溶于水，不与水反应。2.硅与铝的相似性及区别(1)与强碱溶液反应时相似①Si、Al均与NaOH溶液反应生成盐和H2。②SiO2、Al2O3、H2SiO3、H3AlO3[Al(OH)3]均与NaOH溶液反应生成盐和水。③Na2SiO3、NaAlO2溶液通入过量CO2均生成白色沉淀。(2)区别①除氢氟酸外，Si、SiO2、H2SiO3不与其他酸反应。②Al2O3、Al(OH)3属两性化合物。③Na2SiO3溶液、NaAlO2溶液与过量盐酸反应时现象不同。3.CO2－3的检验向待检验溶液中滴加一定量的Ca2＋或Ba2＋的可溶性盐溶液，有白色沉淀生成，再加入适量的强酸，白色沉淀溶解且生成无色、无味的气体，则待检溶液中有CO2－3。特别提醒(1)不能用Ca(OH)2溶液和Ba(OH)2溶液检验CO2－3和HCO－3，原因是OH－将HCO－3转化为CO2－3；(2)加酸后可根据气体是否有气味排除SO2－3的干扰；(3)不能只用加酸看是否有无色无味气体产生的方法检验，因CO2－3与HCO－3两种离子都有该现象发生。例1下列叙述正确的是()A.因为Na2CO3＋SiO2=====高温Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强B.碳和硅都是ⅣA族的元素，所以二氧化碳和二氧化硅的物理性质相似C.二氧化硅既溶于氢氧化钠溶液又溶于氢氟酸，所以二氧化硅是两性氧化物D.二氧化硅和二氧化碳都是酸性氧化物，但二氧化硅不能和水反应生成硅酸解析根据酸盐之间复分解反应进行的方向判断酸性强弱一般是在常温湿态下适用，在高温干态下不适用，事实是碳酸酸性比硅酸强，故A项错误；CO2和SiO2的结构不同，在物理性质方面有很大的差异，故B项错误；SiO2与氢氟酸反应，不属于酸性氧化物与酸的一般反应，在此反应中SiO2没有表现碱性，故C项错误；SiO2虽属于酸性氧化物，但不能直接与H2O反应生成H2SiO3，D项正确。答案D即时巩固下列关于二氧化硅的说法是否正确？解释其理由。A.二氧化硅分子由1个硅原子和2个氧原子构成。B.二氧化硅又叫硅酐。C.二氧化硅与水化合生成对应水化物硅酸。D.二氧化硅为酸酐，与碱反应不与酸反应。E.二氧化硅与碳酸钠反应生成CO2，所以硅酸酸性比碳酸强。答案A错，二氧化硅为原子晶体，晶体是氧原子与硅原子个数比为2∶1的网状立体结构，没有分子，SiO2为化学式而非分子式；B对，二氧化硅是硅酸的酸酐；C错，二氧化硅是不溶于水的酸酐；D错，二氧化硅为酸酐，具有酸酐的通性，能与碱反应，但二氧化硅具有特性，可与氢氟酸反应；E错，二氧化硅与碳酸钠反应生成硅酸钠是在高温下，利用CO2的挥发性，促使反应完成，并不能说明硅酸酸性强于碳酸。考点二二氧化碳和二氧化硅二氧化碳和二氧化硅都是酸性氧化物，其结构和主要性质可比较如下：物质二氧化硅二氧化碳化学式SiO2CO2主要物理性质硬度，熔、沸点，常温下为固体，溶于水熔、沸点，常温下为气体，___溶于水大高不低微化学性质①与水反应不反应________________________②与酸不反应SiO2＋4HF===_______________不反应③与碱反应__________________________________________；盛碱液的试剂瓶用塞___________________________或_________________________CO2＋H2OH2CO3SiF4↑＋2H2OSiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2OCO2＋2NaOH==Na2CO3＋H2OCO2＋NaOH===NaHCO3橡胶化学性质④与盐反应SiO2＋Na2CO3__________________；利用SiO2的性Ca(ClO)2＋CO2＋H2O===____________________；CO2＋Na2CO3＋H2O===_________⑤与碱性氧化物反应SiO2＋CaO_______CO2＋CaO_______高温Na2SiO3＋CO2↑难挥发CaCO3↓＋2HClO2NaHCO3高温△CaSiO3CaCO3思考1有人认为SiO2既能与酸反应又能与碱反应，所以认为它是一种两性氧化物，你同意这种看法吗？提示不同意，因为SiO2只与HF反应，这是SiO2的特性，与其它的酸不反应，SiO2是一种酸性氧化物。思考2反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，说明H2CO3的酸性强于H2SiO3。反应②Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，能否说明H2SiO3的酸性强于H2CO3？提示反应①是离子反应，实质是H2CO3电离出的H＋与SiO2－3结合生成H2SiO3，说明H2CO3的电离性强于H2SiO3，即酸性H2CO3H2SiO3；而反应②是高温下的非离子反应，它之所以能发生是因为CO2气体离开了反应体系，其中并无H2CO3和H2SiO3两种物质，更谈不上二者酸性的比较。例2物质A是一种高熔点化合物，不溶于硫酸、硝酸等强酸。A与纯碱熔融反应，生成化合物B，同时放出气体C；把气体C通过B的溶液中，则得到化合物D；D在干燥空气中转变为化合物E；将E加热又得到化合物A。试写出A、B、C、D、E的化学式：A________、B________、C________、D________、E________。解析A是不溶于硫酸、硝酸等强酸的高熔点化合物，它能与纯碱熔融反应，而且放出气体C，可初步判断A可能是SiO2，B可能是Na2SiO3，C可能是CO2。若把CO2通过Na2SiO3溶液中，会得到胶状沉淀H4SiO4，H4SiO4在干燥空气中易脱水生成H2SiO3，H2SiO3加热生成SiO2。答案A：SiO2B：Na2SiO3C：CO2D：H4SiO4E：H2SiO3实验探究1单质硅是信息产业中重要的基础材料。通常用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅(含铁、铝、硼、磷等杂质)，粗硅与氯气反应生成四氯化硅(反应温度为450℃～500℃)，四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置图：实验探究高纯硅的制取实验高纯硅在科技进步、信息革命、新能源研究等方面起到了至关重要的作用。在各类考试中，有关高纯硅的制取问题，一直是命题的热点。相关信息如下：①四氯化硅遇水极易水解②硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物③有关物质的物理常数见下表：物质SiCl4BCl3AlCl3FeCl3PCl5沸点/℃57.712.8－315－熔点/℃－70.0－107.2－－－升华温度/℃－－180300162请回答下列问题：(1)装置A中g管的作用是________________；装置C中的试剂是________。(2)甲方案：f接装置Ⅰ；乙方案：f接装置Ⅱ。但是装置Ⅰ、Ⅱ都有不足之处，请你评价后填写下表。方案优点缺点甲乙(3)在上述(2)的评价基础上，请你设计一个合理方案并用文字表达：________